Tecnología milimétrica

Desarrollo tecnológico en ondas milimétricas

El grupo de ondas milimétricas del Laboratorio Nacional del Gran Telescopio Milimétrico (LANGTM) representa el primer intento nacional de desarrollo de detección milimétrica. Este grupo actualmente se encuentra desarrollando prototipos de detectores, amplificadores y sistemas criogénicos y de lectura. Estos detectores serán las bases para la construcción de arreglos de gran formato para ser instalados en el GTM, abriendo así la posibilidad de expandir los proyectos de investigación y desarrollo hacia la creación de prototipos instrumentales más complejos.

La creación de recursos humanos con competencias a nivel internacional ha sido el motivo para impulsar el desarrollo de tres tesis doctorales que abarcan la investigación y desarrollo de los temas antes mencionados, mismos que se presentan a continuación.

Estudio de detectores de inductancia cinética para longitudes de onda milimétrica

    (Tesis doctoral por M.C. Víctor Gómez)

Este proyecto de tesis consiste en el desarrollo de detectores de inductancia cinética, el cual consiste de tres etapas:

  • Diseño, a través de simulaciones electromagnéticas numéricas que permitan optimizar el acoplamiento tanto óptico, para la absorción de radiación en doble polarización, como el acoplamiento eléctrico del detector hacia la línea alimentación/lectura.
  • Fabricación del detector en el Laboratorio Nacional de Nano-electrónica (LNN), estableciendo las bases y motivando la fabricación de arreglos de gran formato.
  • Caracterización a temperaturas criogénicas (~250 mK) para determinar los valores de las figuras de mérito, como lo son la frecuencia de resonancia, factor de calidad y ruido.

El detector se está diseñando para absorber radiación con una longitud de onda de 2 mm (150 GHz) en dos polarizaciones, y está compuesto por un circuito resonador RLC superconductor. La topología a implementarse es la de detector de inductancia cinética de elementos agrupados (LEKID, por sus siglas en Inglés), en los que el elemento inductivo del circuito resonador actúa como absorbedor de radiación, evitando así el uso de antenas para realizar el acoplamiento óptico, ya que el mismo inductor del circuito RLC cumple la función de la antena. Los detectores son fabricados de aluminio debido asu frecuencia de corte óptica (~90 GHz) y su temperatura de transición a superconductor de ~1.2 K.

Diseño de amplificadores de bajo ruido con aplicaciones en astronomía milimétrica

    (Tesis doctoral por M.C. Eduardo Ibarra Medel)

Este proyecto de tesis consiste en el diseño, construcción y prueba de una serie de amplificadores de microondas de bajo ruido para trabajar en la banda de 0.5 a 2 GHz. La idea conceptual del proyecto es construir amplificadores económicos y competitivos que alcancen los niveles de ruido óptimos para ser usados como elementos primarios de amplificación en una cadena de detección criogénica para detectores resonantes superconductores o de inductancia cinética (KID, por sus siglas en Inglés).

Los amplificadores emplean transistores de efecto de campo (FET, por sus siglas en Inglés) diseñados bajo tecnologías de transistores de rápida movilidad electrónica pseudomórficos (E-pHEMT, por sus siglas en Inglés). Esta clase de transistores puede operar a muy bajas temperaturas, generando un nivel de ruido extremadamente bajo, haciéndolos ideales para aplicaciones de amplificación que requieran de un nivel de ruido ultra bajo. Su temperatura de ruido típica es de 80 a 50 K a temperatura ambiente, alcanzando los 8 a 5 K a temperaturas criogénicas. Estos amplificadores se instalarán en la primera y segunda etapa de amplificación de los detectores KID, los cuales estarán a una temperatura de 250 mK.

Sistemas criogénicos y electrónica de lectura para detectores superconductores de radiación milimétrica

    (Tesis doctoral por M.C. Salvador Ventura)

Este proyecto de tesis presenta el diseño, instalación y caracterización de sistemas criogénicos y de electrónica de lectura para la realización de pruebas a detectores superconductores de radiación milimétrica que funcionan a temperaturas criogénicas menores a 1 K, y cuya electrónica de lectura requiere de esquemas que incluyan dispositivos tanto a baja temperatura y como a temperatura ambiente.

Los sistemas criogénicos desarrollados y caracterizados consisten en dos criostatos de ciclo cerrado denominados enfriadores de tubo de pulsos (PTC, por sus siglas en Inglés)con los que se alcanzó una temperatura nominal de 4 K en los platos fríos de 12 pulgadas. En una segunda etapa, en cada uno de los PTCs se instaló un refrigerador de ciclo cerrado de He-3/He-4, obteniendo así una temperatura mínima de 250 mK con un ciclo máximo de enfriamiento de ~45 horas.

Como parte de la óptica de acoplamiento necesaria se diseñó, fabricó y caracterizó una estructura criogénica para instalar los detectores, componentes ópticos y electrónicos. La electrónica de lectura para los sensores de transición superconductora (TES, por sus siglas en Inglés) se basó en el diseño e implementación de un algoritmo de multiplexado en frecuencia en una tarjeta Kintex-7 y se instalaron y caracterizaron SQUIDs a una temperatura nominal de 4 K. Además, se realizó la puesta en marcha de una tarjeta ROACH-2 en el laboratorio como parte de la electrónica de lectura de detectores de inductancia cinética (KIDs, por sus siglas en Inglés).